大学信息技术基础教程课件 6.1 计算思维

6.1计算思维6.1计算思维【问题导入】

计算思维是智能时代所需要的核心素养，计算思维强调逻辑思考、算法设计、问题解决和创新能力，是大学生适应人工智能社会的关键能力。

那么，在日常生活和学习中可以使用计算思维？如何运用计算思维解决“计划旅行时间和费用”问题。目录页contents6.1.1走进计算思维6.1.2计算思维的本质6.1.3问题求解6.1.4计算思维的应用领域1234选题背景及意义ONE6.1.1走进计算思维6.1.1走进计算思维“计算思维”是美国卡内基梅隆大学周以真教授提出的一种理论。周以真认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，它涵盖了计算机科学的一系列思维活动。周以真（英文名JeannetteM.Wing，），美国计算机科学家。卡内基-梅隆大学教授。美国国家自然基金会计算与信息科学工程部助理部长。ACM和IEEE会士。

6.1.1走进计算思维1.求解问题中的计算思维问题求解系统设计人类行为理解符号表示建立模型算法编程运行求解6.1.1走进计算思维警察抓小偷警察局抓了a，b，c，d四名偷窃嫌疑犯，其中只有一人是小偷，审讯记录如下：A说：我不是小偷B说：c是小偷C说：小偷肯定是dD说：c在冤枉人四个人中，三个人说的是真话，一个人说的是假话，请问谁是小偷？6.1.1走进计算思维问题分析1依次假设每个人是小偷的情况一一代入四句供词2依次检验“四个人中三个人说真话，一个人说假话”是否成立3如果成立，小偷找到6.1.1走进计算思维符号表示、数学建模将a,b,c,d四个人进行编号为1,2,3,4。用变量x存放小偷的编号。依次将x=1,x=2,x=3,x=4代入问题系统，检验“三真一假”是否成立。6.1.1走进计算思维计算1A说：我不是小偷2B说：c是小偷3C说：小偷肯定是d4D说：c在冤枉人5三真一假1X≠11or02X=31or03X=41or04X≠41or0536.1.1走进计算思维编程、运行实现Forx=1to4If(x<>1+(x=3)+(x=4)+(x<>4)=3)thenPrintxNextx6.1.1走进计算思维2.设计系统中的计算思维任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量和信息的交换，这种变换可以映射为符号变换，使之能用计算机实现离散的符号处理。问题求解系统设计人类行为理解6.1.1走进计算思维囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境问题描述警方逮捕了A、B两名嫌疑犯，但没有足够证据指控二人有罪。于是警方分开囚禁嫌疑犯，并向双方提供以下相同的选择（如表所示）：（1）如果一人认罪并检控对方（背叛），而对方保持沉默，则此人将获释，沉默者将判监禁10年。（2）如果二人都保持沉默（合作），则二人同样判监1年。（3）如果二人都互相检举（背叛），则二人同样判监8年。策略A沉默（合作）A认罪（背叛）B沉默（合作）二人同服刑1年A即时获释；B服刑10年B认罪（背叛）A服刑10年；B即时获释A和B二人同服刑8年6.1.1走进计算思维囚徒困境——博弈策略建模囚徒的策略选择困境两名囚徒的选择：（1）若对方沉默，背叛会让我获释，所以我会选择背叛（2）若对方背叛我，我也要指控对方才能得到较低刑期，所以选择背叛结果：两人都选择背叛，结果二人服刑8年。如果两个囚徒合作保持沉默，总体利益会更高。而两个囚徒追求个人利益，选择背叛时，总体利益较低。这就是困境所在。6.1.1走进计算思维囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的数学建模（1）策略的符号化将囚徒各种选择获得的收益和支付转换为数值，获得表所示符号表。符号分数英文中文说明T5Temptation背叛收益单独背叛成功所得R3Reward合作报酬共同合作所得P1Punishment背叛惩罚共同背叛所得S0Suckers受骗支付被单独背叛所获6.1.1走进计算思维囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的数学建模（2）建立收益和支付矩阵根据以下规则确定博弈双方的收益和支付：一人背叛，一人合作时，背叛者得5分(背叛收益)，合作者得0分(受骗支付)；二人都合作时，双方各得3分（合作报酬）；二人都背叛时，各得1分（背叛惩罚）。从表可见：5>3>1>0，得出：T>R>P>S。

6.1.1走进计算思维囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的数学建模（2）建立数学模型A=R，B=R时，A=3，B=3；A=T，B=S时，A=5，B=0；A=S，B=T时，A=0，B=5；A=P，B=P时，A=1，B=1。6.1.1走进计算思维利用计算手段来研究人类的行为，可视为社会计算，即通过各种信息技术手段，设计、实施和评估人与环境之间的交互。社会计算涉及人们的交互方式、社会群体的形态及其演化规律等问题。研究生命的起源与繁衍、理解人类的认知能力、了解人类与环境的交互以及国家的福利与安全等，都属于社会计算的范畴，这些都与计算思维密切相关。问题求解系统设计人类行为理解3.理解人类行为中的计算思维6.1.1走进计算思维3.理解人类行为中的计算思维预置和缓存小学生早晨去学校时，她把当天需要的东西放进背包；回推小男孩弄丢他的手套时，你建议他沿走过的路回寻；多服务器系统的性能模型在超市付账时你应当去排哪个队呢？失败的无关性和设计的冗余性为什么停电时你的电话仍然可用？TWO6.1.2计算思维的本质6.1.2计算思维的本质计算思维的本质：抽象、自动化（程序、算法）重要理论抽象自动化6.1.2计算思维的本质1概念化，不是程序化。抽象多层次思维计算机科学不等于计算机编程。所谓像计算机科学家那样去思维，其含义不仅限于计算机编程，还要求能够在抽象的多个层面上思维。6.1.2计算思维的本质2是根本的而不是刻板的技能现代社会每个人都必须掌握的技能根本技能是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板技能意味着机械地重复。计算思维是一种创新能力。6.1.2计算思维的本质3是人的思维，不是计算机的思维人类赋予计算机以激情创造性的使用计算机计算思维是人类求解问题的一条途径，人类聪颖且富有想象力，人类赋予计算机以激情。配置了计算设备，就能用自己的智慧去解决那些计算时代之前不敢尝试的问题。6.1.2计算思维的本质4是思想，不是物品计算思维不是软件、硬件等人造物品，而是设计和制造软件、硬件过程中的思想，是计算这一概念用于求解问题、管理日常生活以及与他人进行交流和互动的思想。6.1.2计算思维的本质5是数学和工程思维的互补与融合计算机科学在本质上源自数学思维，构建虚拟世界的自由使我们能够超越物理世界去打造各种系统。6.1.2计算思维的本质6是面向所有地方的所有人计算思维已真正融入人类活动的整体，而不再表现为一种显示哲学，它作为一个问题解决的有效供给，需要在所有地方、所有学校的课堂教学中都得到应用。THREE6.1.3问题求解6.1.3问题求解计算思维是一种具有逻辑性和抽象化的科学计算的解决问题的能力，它包含四个方面，分别是分析分解、归纳抽象、算法设计、模式识别。6.1.3问题求解【例6-1-1】通过计算思维的分析分解、归纳抽象、算法设计和模式识别四个方面来解决“计划旅行时间和费用”问题。（1）分析分解。将“计划旅行时间和费用”分析分解为计算目的地距离、设计行程路线、估计交通和住宿费用等小问题。通过对这些小问题的方案制定，可以更好的解决整个复杂问题。（2）归纳抽象。将“计划旅行时间和费用”问题归纳抽象为搜索旅游景点问题，行程路线规划问题，费用计算问题。（3）算法设计。设计相关的搜索算法，设计行程路